石城子截潛引水工程集水廊道設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

□朱蘇秦（新疆哈密地區(qū)石城子水系流域管理總站）

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石城子截潛引水工程集水廊道設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

□朱蘇秦（新疆哈密地區(qū)石城子水系流域管理總站）

摘要：石城子截潛引水工程的建設(shè)將充分利用有限的水資源，可以緩解大南湖礦區(qū)工業(yè)用水問(wèn)題。文章根據(jù)工程所處工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，計(jì)算了工程集水廊道的滲流量，以滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，為了保證工程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定，計(jì)算了集水廊道所受最不利荷載組合下的彎矩和剪力，按照結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)對(duì)集水廊道結(jié)構(gòu)配筋按照抗彎和抗剪進(jìn)行了驗(yàn)算，得到了可靠的鋼筋布設(shè)方案，為工程的順利開(kāi)展提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：集水廊道；計(jì)算分析

0　引言

石城子流域地處東天山末端哈爾里克山南坡，西與南山口流域?yàn)猷?，東與榆樹(shù)溝流域相接。地理位置介于東經(jīng)93°48′～94°18′，北緯43°06′～43°23′之間，全流域在哈密市境內(nèi)。哈密市南部是煤炭資源聚集區(qū)，也是哈密煤電基地建設(shè)區(qū)，而南部受地質(zhì)構(gòu)造的限制沒(méi)有地下水資源，建設(shè)煤炭基地、煤電基地，水的保障供給成了基地建設(shè)的瓶頸。

為了充分利用有限的水資源來(lái)緩解大南湖礦區(qū)工業(yè)用水問(wèn)題，滿足將有限的水資源效益最大化的需要，擬修建石城子截潛引水工程。

1　工程概況

石城子截潛引水工程區(qū)位于天山東段的哈爾里克山南坡中、低山地帶，地形北高南低，北面山地海拔2000 m，南面山麓高程1200 m，由集水廊道、截滲墻、引水管、引水渠道、導(dǎo)流堤五部分組成，截潛工程的截潛流量為0.05 m3/s，建成后每年可為大南湖礦區(qū)提供153萬(wàn)m3工業(yè)用水。

1.1截潛位置基本工程地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地貌大部分為侵蝕構(gòu)造的中、低山，山頂及山坡基巖裸露，溝谷為第四系松散沉積物。石城子河流發(fā)源于天山南坡，由頭道溝和二道溝組成，頭道溝河流長(zhǎng)約45 km；二道溝河流長(zhǎng)約35 km，兩溝在石城子河溝口以上9 km處匯合，溝口段河流走向SW220°左右。河谷類(lèi)型為“V”型谷，由于地殼抬升，沿河發(fā)育2級(jí)河流階地。兩岸山坡坡腳堆積零星坡積裙，倒石堆?，F(xiàn)代河床為沖、洪積沉積。南面及西面山麓一帶為第四系上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)沖、洪積堆沉層。

地貌為侵蝕構(gòu)造低山，地形北高南低，兩岸山坡高程海拔1193.60～1217.50 m，河谷海拔1181.80～1182.60 m，河谷與兩岸山頂相對(duì)高差32.60～37.50 m。河流走向S180°，河谷底寬40 m，河谷類(lèi)型為“U”型谷?，F(xiàn)代河床最大厚度15 m，卵、礫石物性試驗(yàn)成果表明：天然密度為2.19～2.24 g/cm3，平均為2.22 g/cm3；含水率為1.80～2.50%，平均為2.20%；干密度為2.15～2.19 g/cm3；平均為2.17 g/cm3；孔隙比為0.26～0.23，平均為0.25，屬中密狀態(tài)土。顆粒級(jí)配組成中，粒徑＞200 mm的漂石含量平均為21.70%，200～60 mm的卵石含量平均為16.80%，60～5 mm的礫石含量平均為31.30%，粒徑＜5 mm的顆粒含量平均為30.20%，粒徑＜0.08 mm的細(xì)粒含量平均為2.70%，其不均勻系數(shù)平均值為175，曲率系數(shù)平均值為1.40。

1.2水文地質(zhì)條件

在工程區(qū)范圍內(nèi)主要分布有第四系及華力西期侵入巖，其中華力西期侵入巖均為裂隙含水層，可視為相對(duì)含水層，而第四系松散堆積物為孔隙含水層，屬?gòu)?qiáng)透水層，河水主要靠山區(qū)冰雪融化和降雨補(bǔ)給，工程區(qū)干旱少雨，由于構(gòu)造原因，工程區(qū)無(wú)地下水出露，地下水循環(huán)特征表現(xiàn)為地表水補(bǔ)充地下水。石城子溝河水多年來(lái)一直滋養(yǎng)著下游城市和廣大農(nóng)牧民，礦化度＜1 g/L，屬于淡水，利于灌溉，滿足人畜和工業(yè)用水。

2　截潛集水廊道滲流量計(jì)算

2.1集水廊道

截潛工程引水形式采用集水廊道引水，廊道沿河床橫向布置，尺寸為2.00 m×1.80 m的箱涵結(jié)構(gòu)，墻厚0.30 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，廊道首段高程為1180.70 m，末端高程1180.50 m。廊道總長(zhǎng)20.60 m，坡度i=1/100，廊道進(jìn)水孔為預(yù)埋DN100鋼管，布置在廊道兩側(cè)和頂部，進(jìn)水管孔距400 mm，集水廊道外包鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)孔徑為1 mm×1 mm。廊道外設(shè)反濾料，反濾料由里向外依次為：d=40～80 mm卵礫石，d=20～40 mm卵礫石，厚800 mm，d=5～20 mm卵礫石，厚800 mm，d=1～5 mm粗細(xì)砂，厚為500 mm。進(jìn)人通道和集水坑設(shè)置在廊道末端，進(jìn)人通道進(jìn)口高程為1186.40 m，集水坑底高程為1179.70 m，集水坑為矩形，尺寸2.00 m×1.50 m。通過(guò)臺(tái)階進(jìn)人集水坑，進(jìn)人通道寬1.50 m，臺(tái)階寬1.20 m，臺(tái)階右側(cè)為0.30 m的地表引水渠，地表引水口布置在進(jìn)人通道右側(cè)，尺寸為0.30×0.30 m，由閘門(mén)控制。防止洪水期泄洪對(duì)反濾料淤積堵塞，在上游河床段反濾層頂部鋪無(wú)紡布（150 g/m），等無(wú)紡布失去作用拆除重新鋪設(shè)。

下游采用混凝土截滲墻防滲，混凝土標(biāo)號(hào)為C20F200W6，高程1181 m以下墻厚為0.80 m，高程1181 m以上為0.40 m，混凝土截滲墻嵌入巖石0.80 m，截滲墻高出地面0.90 m，做成溢流壩，在樁號(hào)0+006.3處設(shè)置引水閘，孔口0.50 m，底板高程為1185.70 m，閘頂高程為1186.90 m，為下游村莊提供灌溉用水。在樁號(hào)0+008.15處設(shè)置沖砂閘，孔口0.60 m，底板高程為1185.50 m，閘頂高程為1186.90 m。

2.2廊道滲流量計(jì)算

截潛前，根據(jù)此次鉆探資料，截潛處最大寬度28.30 m，覆蓋層最大厚度15.00 m，采用斷面法測(cè)算截潛水量：

式中，Q為截潛水量，K為滲透系數(shù)，取200.0 m/d，J為水力坡度，取5.00%，W過(guò)水面積，經(jīng)計(jì)算為425.00 m2。

代入公式（1）得到：Q=4250 m3/d

截潛后，廊道為完整集水廊道，截滲墻前砂礫料處于飽和狀態(tài)，水力坡度J=1，廊道兩側(cè)墻及頂板設(shè)置直徑為0.10 m滲水孔，廊道外設(shè)置粒徑為40～80 mm卵礫石反濾料，根據(jù)反濾料特性滲透系數(shù)K=2000.00 m/d，根據(jù)滲水流量Q=4250 m3/d，計(jì)算出廊道開(kāi)孔個(gè)數(shù)。

單孔過(guò)水面積W單為：W單=7.85×10-3m2，滲透系數(shù)K單=2000.00 m/d，水力坡度J單=1，代入公式（1）得到單孔進(jìn)水量Q單為：Q單=2000×1×7.85×10-3=15.70 m3/d

因此，所需孔數(shù)為n=Q/Q單=4250/15.70=271個(gè)

廊道四周總開(kāi)孔數(shù)設(shè)計(jì)為360，滿足要求。

3　截潛集水廊道結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1設(shè)計(jì)工況

設(shè)計(jì)工況為施工完畢，廊道內(nèi)未開(kāi)集水情況，此時(shí)廊道內(nèi)無(wú)有利荷載內(nèi)水壓力。次工況為最不利工況。

3.2荷載設(shè)計(jì)

外荷載為土壓力，取上部砂礫石料體天然容重20 kN/m3，內(nèi)摩擦角θ=30°，自重荷載為廊道自重，取鋼筋混凝土容重25 kN/m3。

3.3荷載計(jì)算系數(shù)確定

建筑物為三級(jí)建筑物安全系數(shù)K=1.25。自重荷載分項(xiàng)系數(shù)γg1=1.05，土壓力荷載分項(xiàng)系數(shù)γg2=1.20。

3.4計(jì)算模型確定集水廊道橫截面如圖1所示。

圖1　集水廊道橫截面圖

設(shè)計(jì)計(jì)算取橫斷面計(jì)算廊道內(nèi)力，將廊道橫斷面簡(jiǎn)化為四端固結(jié)，四邊受荷的框架結(jié)構(gòu)，如圖2所示。采用彎矩分配法計(jì)算跨中、端點(diǎn)，剪力彎矩值。

圖2　集水廊道荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.5荷載計(jì)算

廊道頂部埋深h1=2.90 m，底部埋深h2=5.30 m。

上部砂礫石料體天然容重r土=20 kN/m3，內(nèi)摩擦角θ=30°。鋼筋混凝土容重r鋼筋混凝土=25 kN/m3。

忽略土壓力在廊道外壁上產(chǎn)生的有利荷載摩擦力，計(jì)算廊道受力。

3.6內(nèi)力計(jì)算

采用彎矩分配法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，如圖3和圖4所示。

圖3　彎矩圖

4　截潛集水廊道配筋計(jì)算

4.1廊道抗彎計(jì)算

考慮結(jié)構(gòu)形式及施工情況采取選用最大彎矩做配筋計(jì)算，按此結(jié)果對(duì)廊道進(jìn)行配筋［4，5］。底板最大彎矩M=53.33 kN·m，頂板最大彎矩M=28.47 kN·m，邊墻最大彎矩M=10.78 kN·m按照承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，需滿足下式

圖4　剪力圖

式中：K為承載力安全系數(shù)，工程建筑物級(jí)別為3級(jí)，在基本組合時(shí)，K=1.25；fc為C30混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=14.30 N/mm2，考慮廊道身帶有集水孔，按孔面積比減小混凝土強(qiáng)度，fc= 12.83 N/mm2。受力鋼筋選用HPB300鋼筋，鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=270 N/mm2；αs為截面抵抗矩系數(shù)；b為對(duì)于基礎(chǔ)梁寬度，單寬板條b=1000 mm；h0為截面有效高度，h0=h-a，h為截面實(shí)際高度，此處為底板的厚度h=300 mm；a為縱向受拉鋼筋合力點(diǎn)至截面受拉邊緣的距離，a=c+10；混凝土保護(hù)層厚度c=50 mm，則a=c+10=60 mm，h0=h-a=300-60=240 mm。

將以上參數(shù)帶入式（2），得：

截面抵抗矩系數(shù)：

相對(duì)受壓區(qū)計(jì)算高度：

鋼筋截面面積：

將上述參數(shù)按照底板、底板和邊墻所受最大彎矩值，計(jì)算截面鋼筋類(lèi)型，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　集水廊道不同截面配筋結(jié)果表

按計(jì)算所得鋼筋截面面積配筋：

底板選用φ16@200（As=1005 mm2）。

廊道頂板、側(cè)墻均選用φ14@200（As=770 mm2）。

廊道縱向鋼筋按結(jié)構(gòu)要求選用φ12@200。

加腋鋼筋選用φ14@200。

4.2廊道抗剪驗(yàn)算

按照承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，驗(yàn)算集水廊道剪切承載力，需滿足以下公式，

將上節(jié)參數(shù)帶入式（6），得到

截面尺寸滿足公式（6）抗剪要求。

5　結(jié)　語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)石城子截潛引水工程集水廊道的滲流量計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算及配筋驗(yàn)算，結(jié)果表明：該集水廊道可以滿足工程的功能和設(shè)計(jì)的基本要求，達(dá)到了預(yù)期目的，從而為工程的順利開(kāi)展提供決策依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：韋詩(shī)佳）

中圖分類(lèi)號(hào)：S277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8853（2016）04-0084-03

收稿日期：2016-01-26